JP5603895B2 - Semiconductor memory device driving method and semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明による実施形態は、半導体記憶装置の駆動方法および半導体記憶装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor memory device driving method and a semiconductor memory device.

抵抗変化型メモリの一つに磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM(Magnetic Random Access Memory))がある。STT(Spin Transfer Torque )型MTJ素子を用いたMRAMは、微細化によって抵抗変化率が小さくなる。この場合、読出し信号差が小さくなるため、データを読み出す際に、高精度なデータ検出が必要になる。高精度なデータ検出のためには、参照データは、データ“1”とデータ“0”との中間に近い方が好ましい。しかし、微細化されたMRAMでは、素子特性のばらつきによって、参照データをデータ“1”とデータ“0”との中間に設定することは困難であった。   One of the resistance change type memories is a magnetic random access memory (MRAM). An MRAM using an STT (Spin Transfer Torque) type MTJ element has a smaller resistance change rate due to miniaturization. In this case, since the read signal difference is small, highly accurate data detection is required when reading data. For high-precision data detection, the reference data is preferably close to the middle between data “1” and data “0”. However, in the miniaturized MRAM, it is difficult to set the reference data between the data “1” and the data “0” due to variations in element characteristics.

米国特許出願公開第2009/0323402号明細書US Patent Application Publication No. 2009/0323402

微細な信号差を高精度に検出することができる半導体記憶装置およびその駆動方法を提供する。   A semiconductor memory device capable of detecting a minute signal difference with high accuracy and a driving method thereof are provided.

本実施形態による半導体記憶装置の駆動方法は、抵抗変化型の複数の記憶素子と、記憶素子に格納されたデータに応じた複数の電圧を保持する信号保持部と、信号保持部に保持された電圧に基づいて記憶素子に格納されたデータを検出するセンスアンプとを備えた半導体記憶装置の駆動方法であって、
複数の記憶素子のうち選択された第1の記憶素子に格納された対象データの読出し動作において、
対象データに応じた第1の電圧を信号保持部において保持し、
第1の記憶素子に第1論理の第1のサンプルデータを書き込み、
第1のサンプルデータに応じた第2の電圧を信号保持部において保持し、
第1の記憶素子に第1論理とは逆論理である第2論理の第2のサンプルデータを書き込み、
第2のサンプルデータに応じた第3の電圧を信号保持部において保持し、
センスアンプにおいて、第1の電圧に基づいた読出し信号と第2および第3の電圧に基づいて生成された参照信号とを比較することによって、第1の記憶素子に格納された対象データの論理を検出することを具備し、 信号保持部は、互いに並列に接続され、第1の電圧をゲート電極で受ける第1および第2のトランジスタと、互いに並列に接続され、第2の電圧および第3の電圧をそれぞれゲート電極で受ける第3および第4のトランジスタとを備え、
第1の電圧は、第1および第2のトランジスタのゲート電極に保持され、
第2の電圧は、第3のトランジスタのゲート電極に保持され、
第3の電圧は、第4のトランジスタのゲート電極に保持される。
The driving method of the semiconductor memory device according to the present embodiment includes a plurality of resistance change type storage elements, a signal holding unit that holds a plurality of voltages corresponding to data stored in the storage element, and a signal holding unit. A method for driving a semiconductor storage device comprising a sense amplifier that detects data stored in a storage element based on a voltage,
In the reading operation of the target data stored in the first storage element selected from among the plurality of storage elements,
The first voltage corresponding to the target data is held in the signal holding unit,
Writing the first sample data of the first logic into the first memory element;
Holding a second voltage corresponding to the first sample data in the signal holding unit;
Write second sample data of the second logic, which is opposite to the first logic, to the first memory element,
Holding a third voltage corresponding to the second sample data in the signal holding unit;
In the sense amplifier, by comparing the read signal based on the first voltage with the reference signal generated based on the second and third voltages, the logic of the target data stored in the first storage element is obtained. The signal holding unit is connected in parallel with each other, and the first and second transistors receiving the first voltage at the gate electrode are connected in parallel with each other, and the second voltage and the third voltage A third and a fourth transistor each receiving a voltage at the gate electrode;
The first voltage is held at the gate electrodes of the first and second transistors,
The second voltage is held at the gate electrode of the third transistor,
The third voltage is held at the gate electrode of the fourth transistor.

本実施形態に従った磁気ランダムアクセスメモリのメモリチップを示すブロック図。The block diagram which shows the memory chip of the magnetic random access memory according to this embodiment. 単一のメモリセルMCの構成を示す説明図。3 is an explanatory diagram showing a configuration of a single memory cell MC. FIG. 本実施形態によるMRAMの概略的な構成を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the MRAM according to the present embodiment. 本実施形態によるMRAMのデータ読出し動作を示すタイミング図。FIG. 5 is a timing chart showing a data read operation of the MRAM according to the present embodiment. 本実施形態によるMRAMのデータ読出し動作を示すフロー図。FIG. 5 is a flowchart showing a data read operation of the MRAM according to the present embodiment. 信号保持回路SSCおよびセンスアンプSAの概略図。FIG. 3 is a schematic diagram of a signal holding circuit SSC and a sense amplifier SA. 本実施形態によるMRAMおよび比較例によるMRAMの各参照信号を説明するグラフ。The graph explaining each reference signal of MRAM by this embodiment and MRAM by a comparative example.

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

図1は、本実施形態に従った磁気ランダムアクセスメモリ(以下、MRAM)のメモリチップを示すブロック図である。尚、本実施形態は、これに限定されることなく、MRAM以外の抵抗変化型素子を用いたメモリ(例えば、PCRAM、ReRAM等)にも適用可能である。   FIG. 1 is a block diagram showing a memory chip of a magnetic random access memory (hereinafter referred to as MRAM) according to the present embodiment. The present embodiment is not limited to this, and can also be applied to a memory (for example, PCRAM, ReRAM, etc.) using a resistance variable element other than MRAM.

本実施形態によるMRAMは、メモリセルアレイMCAと、センスアンプSAと、メインデータコントローラMDCと、DQバッファDQBと、カラムコントローラCCと、ロウコントローラRCと、クロックバッファCLKBと、コマンドコントローラCMDCと、アドレスコントローラADDCと、アレイコントローラACとを備えている。   The MRAM according to the present embodiment includes a memory cell array MCA, a sense amplifier SA, a main data controller MDC, a DQ buffer DQB, a column controller CC, a row controller RC, a clock buffer CLKB, a command controller CMDC, and an address controller. An ADDC and an array controller AC are provided.

メモリセルアレイMCAは、例えばマトリクス状に二次元配置された複数のメモリセルMCを備えている。各メモリセルMCはビット線対(例えばBL1とBL2)とワード線WLとの交点に対応して配置されている。すなわち、メモリセルMCの一端は、ビット線対の一方BL1に接続され、他端はビット線対の他方BL2に接続される。ビット線対BL1、BL2は、カラム方向に延伸している。ワード線WLは、カラム方向に対して直交するロウ方向に延伸している。   The memory cell array MCA includes a plurality of memory cells MC that are two-dimensionally arranged in a matrix, for example. Each memory cell MC is arranged corresponding to the intersection of a bit line pair (for example, BL1 and BL2) and a word line WL. That is, one end of the memory cell MC is connected to one BL1 of the bit line pair, and the other end is connected to the other BL2 of the bit line pair. The bit line pair BL1, BL2 extends in the column direction. The word line WL extends in the row direction orthogonal to the column direction.

センスアンプSAは、例えばビット線BL1を介してメモリセルMCに接続されており、メモリセルMCのデータを検出する機能を有する。ライトドライバWDは、例えばビット線BL1、BL2を介してメモリセルMCに接続されており、メモリセルMCにデータを書き込む機能を有する。   The sense amplifier SA is connected to the memory cell MC via, for example, the bit line BL1, and has a function of detecting data in the memory cell MC. The write driver WD is connected to the memory cell MC via, for example, the bit lines BL1 and BL2, and has a function of writing data to the memory cell MC.

メインデータコントローラMDCは、DQバッファDQBから受け取ったデータを、カラムコントローラCCの制御を受けて、所望のカラムに書き込むようにライトドライバWDへ転送し、あるいは、カラムコントローラCCの制御を受けて、所望のカラムから読み出したデータをDQバッファDQBへ転送する。   The main data controller MDC transfers the data received from the DQ buffer DQB to the write driver WD so as to write to the desired column under the control of the column controller CC, or receives the desired data under the control of the column controller CC. The data read from the first column is transferred to the DQ buffer DQB.

データバッファとしてのDQバッファDQBは、センスアンプSAで検出された読出しデータを一時的に保持し、その読出しデータをメモリチップ1の外部へ出力する。あるいは、DQバッファDQBは、DQパッドDQを介して受け取った書込みデータを一時的に保持し、その書込みデータをライトドライバWDへ転送する。   A DQ buffer DQB as a data buffer temporarily holds read data detected by the sense amplifier SA and outputs the read data to the outside of the memory chip 1. Alternatively, the DQ buffer DQB temporarily holds the write data received via the DQ pad DQ and transfers the write data to the write driver WD.

カラムコントローラCCは、カラムアドレスに従って所望のカラムのビット線BLを選択的に駆動するようにセンスアンプSAまたはライトドライバWDを動作させる。   The column controller CC operates the sense amplifier SA or the write driver WD so as to selectively drive the bit line BL of a desired column according to the column address.

ロウコントローラRCは、ロウアドレスに従って所望のワード線WLを選択的に駆動させるようにワード線ドライバWLDを動作させる。   The row controller RC operates the word line driver WLD so as to selectively drive a desired word line WL according to the row address.

クロックバッファCLKBは、メモリチップ1全体の動作のタイミングを決定するクロック信号を入力する。   The clock buffer CLKB receives a clock signal that determines the operation timing of the entire memory chip 1.

コマンドコントローラCMDCは、読出し動作、書込み動作等の各種動作を示すコマンドを受け取り、それらのコマンドに従ってカラムコントローラCCおよびロウコントローラRCを制御する。   The command controller CMDC receives commands indicating various operations such as a read operation and a write operation, and controls the column controller CC and the row controller RC according to those commands.

アドレスコントローラADDCは、ロウアドレスおよびカラムアドレス等を受け取り、これらのアドレスをデコードし、カラムコントローラCCおよびロウコントローラRCにこれらのアドレスを送る。   The address controller ADDC receives a row address and a column address, decodes these addresses, and sends these addresses to the column controller CC and the row controller RC.

アレイコントローラACは、メモリセルアレイMCAの全体的な制御を行う。   The array controller AC performs overall control of the memory cell array MCA.

図2は、単一のメモリセルMCの構成を示す説明図である。各メモリセルMCは、それぞれ磁気トンネル接合素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)と、セルトランジスタCTとを含む。MTJ素子およびセルトランジスタCTは、ビット線BL1とビット線BL2との間に直列に接続されている。メモリセルMCにおいて、セルトランジスタCTがビット線BL2側に配置され、MTJ素子がビット線BL1側に配置されている。セルトランジスタCTのゲートは、ワード線WLに接続されている。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a single memory cell MC. Each memory cell MC includes a magnetic tunnel junction element (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element) and a cell transistor CT. The MTJ element and the cell transistor CT are connected in series between the bit line BL1 and the bit line BL2. In the memory cell MC, the cell transistor CT is disposed on the bit line BL2 side, and the MTJ element is disposed on the bit line BL1 side. The gate of the cell transistor CT is connected to the word line WL.

TMR(tunneling magnetoresistive)効果を利用したSTT−MTJ素子は、2枚の強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層(絶縁薄膜)とからなる積層構造を有し、スピン偏極トンネル効果による磁気抵抗の変化によりデジタルデータを記憶する。MTJ素子は、2枚の強磁性層の磁化配列によって、低抵抗状態と高抵抗状態とを取り得る。例えば、低抵抗状態をデータ“0”と定義し、高抵抗状態をデータ“1”と定義すれば、MTJ素子に1ビットデータを記録することができる。もちろん、低抵抗状態をデータ“1”と定義し、高抵抗状態をデータ“0”と定義してもよい。例えば、MTJ素子は、図2に示すように、固定層P、トンネルバリア層B、記録層Frを順次積層して形成される。固定層Pおよび記録層Frは、強磁性体で形成されており、トンネルバリア層Bは、絶縁膜からなる。固定層Pは、磁化の向きが固定されている層であり、記録層Frは、磁化の向きが可変であり、その磁化の向きによってデータを記憶する。     An STT-MTJ element using the TMR (tunneling magnetoresistive) effect has a laminated structure composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer (insulating thin film) sandwiched between them, and is magnetized by a spin-polarized tunnel effect. Digital data is stored by changing resistance. The MTJ element can take a low resistance state and a high resistance state depending on the magnetization arrangement of the two ferromagnetic layers. For example, if the low resistance state is defined as data “0” and the high resistance state is defined as data “1”, 1-bit data can be recorded in the MTJ element. Of course, the low resistance state may be defined as data “1”, and the high resistance state may be defined as data “0”. For example, the MTJ element is formed by sequentially laminating a fixed layer P, a tunnel barrier layer B, and a recording layer Fr as shown in FIG. The fixed layer P and the recording layer Fr are made of a ferromagnetic material, and the tunnel barrier layer B is made of an insulating film. The fixed layer P is a layer whose magnetization direction is fixed, and the recording layer Fr has a variable magnetization direction, and stores data according to the magnetization direction.

書込み時に矢印A1の向きに反転閾値電流以上の電流を流すと、固定層Pの磁化の向きに対して記録層Frのそれがアンチパラレル状態となり、高抵抗状態(データ“1”)となる。書込み時に矢印A2の向きに反転閾値電流以上の電流を流すと、固定層Pと記録層Frとのそれぞれの磁化の向きがパラレル状態となり、低抵抗状態(データ“0”)となる。このように、TMJ素子は、電流の方向によって異なるデータを書き込むことができる。     When a current equal to or greater than the reversal threshold current is passed in the direction of the arrow A1 during writing, the recording layer Fr is in an anti-parallel state with respect to the magnetization direction of the fixed layer P, and is in a high resistance state (data “1”). When a current equal to or greater than the inversion threshold current is passed in the direction of the arrow A2 at the time of writing, the magnetization directions of the fixed layer P and the recording layer Fr are in a parallel state and a low resistance state (data “0”). Thus, the TMJ element can write different data depending on the direction of current.

MRAMのデータ読出し動作では、センスアンプSAは、メモリセルMCに電流(セル電流)を供給することによってメモリセルMCの抵抗値の違いを検知する。このとき、セル電流は、書込み時の反転閾値電流未満の電流であり、従って、読出し電流は、必然的に非常に小さい値となる。   In the data read operation of the MRAM, the sense amplifier SA detects a difference in resistance value of the memory cell MC by supplying a current (cell current) to the memory cell MC. At this time, the cell current is less than the inversion threshold current at the time of writing, and therefore the read current is necessarily a very small value.

例えば、センスアンプSAには、定電流型センスアンプおよび定電圧クランプ型センスアンプ等がある。定電流型センスアンプを用いた場合、データ“0”とデータ“1”との電圧差(信号差)は数10mVである。定電圧クランプ型センスアンプを用いた場合、データ“0”とデータ“1”との電流比(信号比)は数μAである。   For example, the sense amplifier SA includes a constant current type sense amplifier and a constant voltage clamp type sense amplifier. When a constant current sense amplifier is used, the voltage difference (signal difference) between data “0” and data “1” is several tens of mV. When a constant voltage clamp type sense amplifier is used, the current ratio (signal ratio) between data “0” and data “1” is several μA.

このような、微細な信号差を検出するためには、高精度なデータ検出が必要である。高精度なデータ検出を行なうためには、データ“1”とデータ“0”との中央近傍に設定された適切な参照データが必要である。このような適切な参照データを生成するために、本実施形態では、図3に示す構成が用いられる。   In order to detect such a fine signal difference, highly accurate data detection is necessary. In order to perform highly accurate data detection, appropriate reference data set near the center of data “1” and data “0” is necessary. In order to generate such appropriate reference data, the configuration shown in FIG. 3 is used in the present embodiment.

図3は、本実施形態によるMRAMの概略的な構成を示す回路図である。図3では、データ読出し動作においてメモリセルアレイMCA内で選択されたメモリセルMCおよび選択メモリセルMCに接続される回路が表示されている。他の非選択メモリセル、ワード線WLおよびビット線BLのそれぞれの図示は省略されている。   FIG. 3 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the MRAM according to the present embodiment. FIG. 3 shows a memory cell MC selected in the memory cell array MCA and a circuit connected to the selected memory cell MC in the data read operation. The other unselected memory cells, the word lines WL, and the bit lines BL are not shown.

本実施形態によるMRAMは、メモリセルアレイMCAと、ライトバイアス回路WBCと、リードバイアス回路RBCと、信号保持回路SSCと、センスアンプSAとを備えている。   The MRAM according to the present embodiment includes a memory cell array MCA, a write bias circuit WBC, a read bias circuit RBC, a signal holding circuit SSC, and a sense amplifier SA.

ライトバイアス回路WBCは、n型トランジスタTw0、Tw1およびp型トランジスタTbw0、Tbw1を備えている。トランジスタTw0およびTbw0は、データ“0”を選択メモリセルMCに書き込むときに導通状態になるトランジスタである。トランジスタTw0およびTbw0のゲート信号W0およびbW0は、互いに相補の信号であり、トランジスタTw0およびTbw0を同時に駆動させる。トランジスタTw1およびTbw1は、データ“1”を選択メモリセルMCに書き込むときに導通状態になるトランジスタである。トランジスタTw1およびTbw1のゲート信号W1およびbW1は、互いに相補の信号であり、トランジスタTw1およびTbw1を同時に駆動させる。   The write bias circuit WBC includes n-type transistors Tw0 and Tw1 and p-type transistors Tbw0 and Tbw1. The transistors Tw0 and Tbw0 are transistors that are turned on when data “0” is written to the selected memory cell MC. The gate signals W0 and bW0 of the transistors Tw0 and Tbw0 are complementary signals, and drive the transistors Tw0 and Tbw0 simultaneously. The transistors Tw1 and Tbw1 are transistors that are turned on when data “1” is written to the selected memory cell MC. The gate signals W1 and bW1 of the transistors Tw1 and Tbw1 are complementary signals, and drive the transistors Tw1 and Tbw1 simultaneously.

トランジスタTw0およびTbw0が導通状態であるときには、電流I0が選択メモリセルMCに流れ、データ“0”が書き込まれる。トランジスタTw1およびTbw1が導通状態であるときには、電流I1が選択メモリセルMCに流れ、データ“1”が書き込まれる。   When transistors Tw0 and Tbw0 are conductive, current I0 flows through selected memory cell MC, and data “0” is written. When the transistors Tw1 and Tbw1 are in a conductive state, a current I1 flows through the selected memory cell MC, and data “1” is written.

リードバイアス回路RBCは、2つのn型トランジスタTreと、n型トランジスタTclmpと、p型トランジスタTloadとを備えている。トランジスタTreは、データ読出し動作において導通状態になるトランジスタである。トランジスタTreは、リードイネーブル信号REによって制御される。トランジスタTclmpは、読出し時に選択メモリセルMCに印加する電圧を決定するトランジスタである。トランジスタTclmpは、クランプ信号VCLMPによって制御され、データ読出し動作において導通状態になる。トランジスタTloadは、ノードNxの電圧Vxを決定するトランジスタである。トランジスタTloadは、負荷信号VLOADによって制御され、データ読出し動作において導通状態になる。   The read bias circuit RBC includes two n-type transistors Tre, an n-type transistor Tclmp, and a p-type transistor Tload. The transistor Tre is a transistor that becomes conductive in the data read operation. The transistor Tre is controlled by a read enable signal RE. The transistor Tclmp is a transistor that determines a voltage to be applied to the selected memory cell MC at the time of reading. The transistor Tclmp is controlled by the clamp signal VCLMP and becomes conductive in the data read operation. The transistor Tload is a transistor that determines the voltage Vx of the node Nx. The transistor Tload is controlled by the load signal VLOAD and becomes conductive in the data read operation.

トランジスタTloadとTclmpとの間のノードNxは、信号保持回路SSCに接続されている。ノードNxの電圧Vxは、選択メモリセルMC内のデータに応じた信号として信号保持回路SSCに伝達される。   A node Nx between the transistors Tload and Tclmp is connected to the signal holding circuit SSC. The voltage Vx of the node Nx is transmitted to the signal holding circuit SSC as a signal corresponding to the data in the selected memory cell MC.

データ読出し動作において、リードバイアス回路RBCは、選択メモリセルMCに所定の電圧を印加し、選択メモリセルMCに電流Ireadを流す。このとき、リードバイアス回路RBCは、ノードNxの電圧Vxを信号保持回路SSCに与える。   In the data read operation, the read bias circuit RBC applies a predetermined voltage to the selected memory cell MC and causes a current Iread to flow through the selected memory cell MC. At this time, the read bias circuit RBC supplies the voltage Vx of the node Nx to the signal holding circuit SSC.

信号保持回路SSCは、n型トランジスタTp1〜Tp4と、p型トランジスタTbp1〜Tbp4と、n型トランジスタT1〜T4とを備えている。トランジスタTp1およびTbp1は、互いに並列に接続されている。これにより、トランジスタTp1およびTbp1は、電圧VxをトランジスタT1のゲート電極(ゲートノード)NG1へ転送する第1のトランスファゲートTG1として機能する。トランジスタTp2およびTbp2は、互いに並列に接続されている。これにより、トランジスタTp2およびTbp2は、電圧VxをトランジスタT2のゲート電極(ゲートノード)NG2へ転送する第2のトランスファゲートTG2として機能する。トランジスタTp3およびTbp3は、互いに並列に接続されている。これにより、トランジスタTp3およびTbp3は、電圧VxをトランジスタT3のゲート電極(ゲートノード)NG3へ転送する第3のトランスファゲートTG3として機能する。トランジスタTp4およびTbp4は、互いに並列に接続されている。これにより、トランジスタTp4およびTbp4は、電圧VxをトランジスタT4のゲート電極(ゲートノード)NG4へ転送する第4のトランスファゲートTG4として機能する。   The signal holding circuit SSC includes n-type transistors Tp1 to Tp4, p-type transistors Tbp1 to Tbp4, and n-type transistors T1 to T4. Transistors Tp1 and Tbp1 are connected in parallel to each other. Thus, the transistors Tp1 and Tbp1 function as a first transfer gate TG1 that transfers the voltage Vx to the gate electrode (gate node) NG1 of the transistor T1. Transistors Tp2 and Tbp2 are connected in parallel to each other. Thus, the transistors Tp2 and Tbp2 function as a second transfer gate TG2 that transfers the voltage Vx to the gate electrode (gate node) NG2 of the transistor T2. Transistors Tp3 and Tbp3 are connected in parallel to each other. Thus, the transistors Tp3 and Tbp3 function as a third transfer gate TG3 that transfers the voltage Vx to the gate electrode (gate node) NG3 of the transistor T3. Transistors Tp4 and Tbp4 are connected in parallel to each other. Thereby, the transistors Tp4 and Tbp4 function as a fourth transfer gate TG4 that transfers the voltage Vx to the gate electrode (gate node) NG4 of the transistor T4.

ゲート信号P1、bP1は、互いに相補の信号であり、第1のトランスファゲートTG1を駆動する信号である。ゲート信号P2、bP2は、互いに相補の信号であり、第2のトランスファゲートTG2を駆動する信号である。ゲート信号P3、bP3は、互いに相補の信号であり、第3のトランスファゲートTG3を駆動する信号である。ゲート信号P4、bP4は、互いに相補の信号であり、第4のトランスファゲートTG4を駆動する信号である。   The gate signals P1 and bP1 are complementary signals, and are signals that drive the first transfer gate TG1. The gate signals P2 and bP2 are complementary signals, and are signals that drive the second transfer gate TG2. The gate signals P3 and bP3 are complementary signals, and are signals that drive the third transfer gate TG3. The gate signals P4 and bP4 are complementary signals, and are signals that drive the fourth transfer gate TG4.

第1のトランジスタT1のゲート電極NG1は、第1のトランスファゲートTG1を介してノードNxに接続されている。第2のトランジスタT2のゲート電極NG2は、第2のトランスファゲートTG2を介してノードNxに接続されている。第1のトランジスタ1および第2のトランジスタT2は、互いに並列に接続されている。 The gate electrode NG1 of the first transistor T1 is connected to the node Nx via the first transfer gate TG1. The gate electrode NG2 of the second transistor T2 is connected to the node Nx via the second transfer gate TG2. The first transistor T1 and the second transistor T2 are connected in parallel to each other.

第1のトランジスタT1および第2のトランジスタT2のドレインは、トランジスタTsen12等を介してセンスアンプSAのセンスノードbSNに接続される。   The drains of the first transistor T1 and the second transistor T2 are connected to the sense node bSN of the sense amplifier SA via the transistor Tsen12 and the like.

第3のトランジスタT3のゲート電極NG3は、第3のトランスファゲートTG3を介してノードNxに接続されている。第4のトランジスタT4のゲート電極NG4は、第4のトランスファゲートTG4を介してノードNxに接続されている。第3のトランジスタT3および第4のトランジスタT4は、互いに並列に接続されている。   The gate electrode NG3 of the third transistor T3 is connected to the node Nx via the third transfer gate TG3. The gate electrode NG4 of the fourth transistor T4 is connected to the node Nx via the fourth transfer gate TG4. The third transistor T3 and the fourth transistor T4 are connected in parallel to each other.

第3のトランジスタT3および第4のトランジスタT4のドレインは、トランジスタTsen34等を介してセンスアンプSAのセンスノードSNに接続される。   The drains of the third transistor T3 and the fourth transistor T4 are connected to the sense node SN of the sense amplifier SA via the transistor Tsen34 and the like.

このような構成を有する信号保持回路SSCは、トランスファゲートTG1〜TG4を制御することによって、ノードNxの電圧VxをゲートノードNG1〜NG4のいずれかに保持することができる。   The signal holding circuit SSC having such a configuration can hold the voltage Vx of the node Nx at any of the gate nodes NG1 to NG4 by controlling the transfer gates TG1 to TG4.

センスアンプSAは、n型トランジスタTsen12、Tsen34と、p型トランジスタTsep12、Tsep34と、ラッチ回路LCとを備えている。   The sense amplifier SA includes n-type transistors Tsen12 and Tsen34, p-type transistors Tsep12 and Tsep34, and a latch circuit LC.

トランジスタTsen12は、信号保持回路SSCのトランジスタT1およびT2のドレインとラッチ回路LCとの間に接続されている。トランジスタTsen34は、信号保持回路SSCのトランジスタT3およびT4のドレインとラッチ回路LCとの間に接続されている。トランジスタTsen12、Tsen34は、センスイネーブル信号SEを共通に受け、同時に駆動される。   The transistor Tsen12 is connected between the drains of the transistors T1 and T2 of the signal holding circuit SSC and the latch circuit LC. The transistor Tsen34 is connected between the drains of the transistors T3 and T4 of the signal holding circuit SSC and the latch circuit LC. The transistors Tsen12 and Tsen34 receive the sense enable signal SE in common and are driven simultaneously.

ラッチ回路LCは、n型トランジスタTLCn1、TLCn2およびp型トランジスタTLCp1、TLCp2を備えている。   The latch circuit LC includes n-type transistors TLCn1 and TLCn2 and p-type transistors TLCp1 and TLCp2.

トランジスタTLCn1およびTLCp1は、電源電圧VDDとトランジスタTsen12との間に直接接続されている。トランジスタTLCn1およびTLCp1のゲート電極は、トランジスタTLCn2とトランジスタTLCp2との間のセンスノードSNに共通に接続されている。   The transistors TLCn1 and TLCp1 are directly connected between the power supply voltage VDD and the transistor Tsen12. The gate electrodes of the transistors TLCn1 and TLCp1 are commonly connected to a sense node SN between the transistors TLCn2 and TLCp2.

トランジスタTLCn2およびTLCp2は、電源電圧VDDとトランジスタTsen34との間に直接接続されている。トランジスタTLCn2およびTLCp2のゲート電極は、トランジスタTLCn1とトランジスタTLCp1との間のセンスノードbSNに共通に接続されている。   The transistors TLCn2 and TLCp2 are directly connected between the power supply voltage VDD and the transistor Tsen34. The gate electrodes of the transistors TLCn2 and TLCp2 are commonly connected to a sense node bSN between the transistors TLCn1 and TLCp1.

このように、トランジスタTLCn1、TLCp1のゲート電極と、トランジスタTLCn2、TLCp2のゲート電極とはクロス結合されている。   Thus, the gate electrodes of the transistors TLCn1 and TLCp1 and the gate electrodes of the transistors TLCn2 and TLCp2 are cross-coupled.

トランジスタTLCn1とトランジスタTLCp1との間のセンスノードbSNは、トランジスタTsep12を介して電源電圧VDDに接続されている。トランジスタTLCn2とトランジスタTLCp2との間のセンスノードSNは、トランジスタTsep34を介して電源VDDに接続されている。   The sense node bSN between the transistor TLCn1 and the transistor TLCp1 is connected to the power supply voltage VDD via the transistor Tsep12. A sense node SN between the transistors TLCn2 and TLCp2 is connected to the power supply VDD via the transistor Tsep34.

このような構成を有するセンスアンプSAは、トランジスタTsen12を介して得られる電圧とトランジスタTsen34を介して得られる電圧との電圧差を増幅し、その電圧差をラッチ回路LCのセンスノードSN、bSNにラッチすることができる。そして、センスノードSNに保持された電圧が検出結果として出力される。   The sense amplifier SA having such a configuration amplifies the voltage difference between the voltage obtained via the transistor Tsen12 and the voltage obtained via the transistor Tsen34, and the voltage difference is applied to the sense nodes SN and bSN of the latch circuit LC. Can be latched. Then, the voltage held at the sense node SN is output as a detection result.

次に、本実施形態によるMRAMの動作を説明する。   Next, the operation of the MRAM according to the present embodiment will be described.

図4は、本実施形態によるMRAMのデータ読出し動作を示すタイミング図である。図5は、本実施形態によるMRAMのデータ読出し動作を示すフロー図である。第1の記憶素子としての選択メモリセルMCは、読出し対象としての或る論理データを格納している。図4に示すデータ読出しシーケンスによって、MRAMは、選択メモリセルMC内の読出し対象データを検出する。尚、データ読出し動作において、図3のトランジスタTloadおよびTclmpは導通状態を維持している。   FIG. 4 is a timing diagram showing a data read operation of the MRAM according to the present embodiment. FIG. 5 is a flowchart showing a data read operation of the MRAM according to the present embodiment. The selected memory cell MC as the first storage element stores certain logical data as a read target. According to the data read sequence shown in FIG. 4, the MRAM detects read target data in the selected memory cell MC. Note that in the data read operation, the transistors Tload and Tclmp in FIG. 3 maintain the conductive state.

まず、t0〜t1において、MRAMは、1回目の読出し動作を実行する(S10)。1回目の読出し動作では、信号保持回路SSCは、選択メモリセルMCに格納されている読出し対象データに基づく第1の電圧を保持する(S20)。   First, from t0 to t1, the MRAM executes the first read operation (S10). In the first read operation, the signal holding circuit SSC holds the first voltage based on the read target data stored in the selected memory cell MC (S20).

より詳細には、リードイネーブル信号REが論理ハイに活性化される。これにより、図3に示すリードバイアス回路RBCが選択メモリセルMCに読出し電流Ireadを流す。また、ゲート信号P1、P2を論理ハイに活性化させる。これに伴い、ゲート信号bP1、bP2は、論理ロウに活性化される。これにより、図3に示す第1および第2のトランスファゲートTG1、TG2は導通状態になる。読出し対象データに応じた第1の電圧は、第1および第2のトランスファゲートTG1、TG2を介してゲートノードNG1およびNG2に伝達される。   More specifically, the read enable signal RE is activated to logic high. As a result, the read bias circuit RBC shown in FIG. 3 passes the read current Iread to the selected memory cell MC. Also, the gate signals P1 and P2 are activated to logic high. Accordingly, the gate signals bP1 and bP2 are activated to logic low. As a result, the first and second transfer gates TG1 and TG2 shown in FIG. 3 become conductive. The first voltage corresponding to the read target data is transmitted to the gate nodes NG1 and NG2 via the first and second transfer gates TG1 and TG2.

そして、ゲート信号P1、P2を論理ロウに不活性化させ、かつ、ゲート信号bP1、bP2を論理ハイに不活性化させることによって、第1および第2のトランスファゲートTG1、TG2を非導通状態にする。これにより、第1の電圧は、ゲートノードNG1およびNG2に保持される。   Then, the first and second transfer gates TG1 and TG2 are made non-conductive by inactivating the gate signals P1 and P2 to logic low and inactivating the gate signals bP1 and bP2 to logic high. To do. As a result, the first voltage is held at the gate nodes NG1 and NG2.

次に、t1〜t2において、MRAMは、第1のサンプルデータとしてデータ“0”の書込み動作を実行する(S30)。データ“0”の書込み動作では、ライトバイアス回路WBCが選択メモリセルMCへデータ“0”を書き込む。   Next, from t1 to t2, the MRAM performs a write operation of data “0” as the first sample data (S30). In the write operation of data “0”, the write bias circuit WBC writes data “0” to the selected memory cell MC.

より詳細には、図3のトランジスタTw0のゲート信号W0が論理ハイに活性化され、トランジスタTbw0のゲート信号bW0が論理ロウに活性化される。これにより、図3に示すライトバイアス回路WBCが選択メモリセルMCに電流I0を流し、選択メモリセルMCにデータ“0”を書き込む。   More specifically, the gate signal W0 of the transistor Tw0 in FIG. 3 is activated to logic high, and the gate signal bW0 of the transistor Tbw0 is activated to logic low. As a result, the write bias circuit WBC shown in FIG. 3 causes the current I0 to flow through the selected memory cell MC and writes data “0” into the selected memory cell MC.

このとき、選択メモリセルMCにおいて上記読出し対象データはデータ“0”によって上書きされてしまう。しかし、読出し対象データの情報は、第1の電圧として信号保持回路SSCに保持されているので問題無い。   At this time, the data to be read is overwritten with data “0” in the selected memory cell MC. However, there is no problem because the information of the read target data is held in the signal holding circuit SSC as the first voltage.

次に、t2〜t3において、MRAMは、2回目の読出し動作を実行する(S40)。2回目の読出し動作では、信号保持回路SSCは、選択メモリセルMCに格納されているデータ“0”に基づく第2の電圧を保持する(S50)。   Next, from t2 to t3, the MRAM executes a second read operation (S40). In the second read operation, the signal holding circuit SSC holds the second voltage based on the data “0” stored in the selected memory cell MC (S50).

より詳細には、リードイネーブル信号REが論理ハイに活性化される。これにより、リードバイアス回路RBCが選択メモリセルMCに読出し電流Ireadを流す。また、ゲート信号P3を論理ハイに活性化させる。これに伴い、ゲート信号bP3は、論理ロウに活性化される。これにより、図3に示す第3のトランスファゲートTG3は導通状態になる。データ“0”に応じた第2の電圧は、第3のトランスファゲートTG3を介してゲートノードNG3に伝達される。   More specifically, the read enable signal RE is activated to logic high. As a result, the read bias circuit RBC passes the read current Iread to the selected memory cell MC. Also, the gate signal P3 is activated to logic high. Accordingly, gate signal bP3 is activated to a logic low. As a result, the third transfer gate TG3 shown in FIG. 3 becomes conductive. The second voltage corresponding to the data “0” is transmitted to the gate node NG3 via the third transfer gate TG3.

そして、ゲート信号P3を論理ロウに不活性化させ、かつ、ゲート信号bP3を論理ハイに不活性化させることによって、第3のトランスファゲートTG3を非導通状態にする。これにより、第2の電圧は、ゲートノードNG3に保持される。   Then, the third transfer gate TG3 is made nonconductive by inactivating the gate signal P3 to logic low and inactivating the gate signal bP3 to logic high. As a result, the second voltage is held at the gate node NG3.

次に、t3〜t4において、MRAMは、第2のサンプルデータとしてデータ“1”の書込み動作を実行する(S60)。データ“1”の書込み動作では、ライトバイアス回路WBCが選択メモリセルMCへデータ“1”を書き込む。   Next, from t3 to t4, the MRAM performs a write operation of data “1” as the second sample data (S60). In the write operation of data “1”, the write bias circuit WBC writes data “1” to the selected memory cell MC.

より詳細には、図3のトランジスタTw1のゲート信号W1が論理ハイに活性化され、トランジスタTbw1のゲート信号bW1が論理ロウに活性化される。これにより、図3に示すライトバイアス回路WBCが選択メモリセルMCに電流I1を流し、選択メモリセルMCにデータ“1”を書き込む。   More specifically, the gate signal W1 of the transistor Tw1 of FIG. 3 is activated to logic high, and the gate signal bW1 of the transistor Tbw1 is activated to logic low. As a result, the write bias circuit WBC shown in FIG. 3 causes the current I1 to flow through the selected memory cell MC and writes data “1” into the selected memory cell MC.

このとき、選択メモリセルMCにおいてデータ“0”はデータ“1”によって上書きされてしまう。しかし、データ“0”の情報は、第2の電圧として信号保持回路SSCに保持されているので問題無い。   At this time, the data “0” is overwritten by the data “1” in the selected memory cell MC. However, there is no problem because the information of data “0” is held in the signal holding circuit SSC as the second voltage.

次に、t4〜t5において、MRAMは、3回目の読出し動作を実行する(S70)。3回目の読出し動作では、信号保持回路SSCは、選択メモリセルMCに格納されているデータ“1”に基づく第3の電圧を保持する(S80)。   Next, from t4 to t5, the MRAM executes a third read operation (S70). In the third read operation, the signal holding circuit SSC holds the third voltage based on the data “1” stored in the selected memory cell MC (S80).

より詳細には、リードイネーブル信号REが論理ハイに活性化される。これにより、リードバイアス回路RBCが選択メモリセルMCに読出し電流Ireadを流す。また、ゲート信号P4を論理ハイに活性化させる。これに伴い、ゲート信号bP4は、論理ロウに活性化される。これにより、図3に示す第4のトランスファゲートTG4は導通状態になる。データ“1”に応じた第3の電圧は、第4のトランスファゲートTG4を介してゲートノードNG4に伝達される。   More specifically, the read enable signal RE is activated to logic high. As a result, the read bias circuit RBC passes the read current Iread to the selected memory cell MC. Also, the gate signal P4 is activated to logic high. Accordingly, gate signal bP4 is activated to a logic low. As a result, the fourth transfer gate TG4 shown in FIG. 3 becomes conductive. The third voltage corresponding to the data “1” is transmitted to the gate node NG4 via the fourth transfer gate TG4.

そして、ゲート信号P4を論理ロウに不活性化させ、かつ、ゲート信号bP4を論理ハイに不活性化させることによって、第4のトランスファゲートTG4を非導通状態にする。これにより、第3の電圧は、ゲートノードNG4に保持される。   Then, the fourth transfer gate TG4 is made non-conductive by inactivating the gate signal P4 to logic low and inactivating the gate signal bP4 to logic high. As a result, the third voltage is held at the gate node NG4.

ここで、信号保持回路SSCは、読出し対象データに対応する第1の電圧をゲートノードNG1、NG2に保持し、データ“0”に対応する第2の電圧をゲートノードNG3に保持し、並びに、データ“1”に対応する第3の電圧をゲートノードNG4に保持している。従って、第1の電圧は、第1および第2のトランジスタT1、T2のゲート電極に印加される。第2の電圧は、第3のトランジスタT3のゲート電極に印加される。第3の電圧は、第4のトランジスタT4のゲート電極に印加される。   Here, the signal holding circuit SSC holds the first voltage corresponding to the read target data at the gate nodes NG1 and NG2, holds the second voltage corresponding to the data “0” at the gate node NG3, and A third voltage corresponding to the data “1” is held at the gate node NG4. Therefore, the first voltage is applied to the gate electrodes of the first and second transistors T1 and T2. The second voltage is applied to the gate electrode of the third transistor T3. The third voltage is applied to the gate electrode of the fourth transistor T4.

第1から第3の電圧を保持している信号保持回路SSCおよびセンスアンプSAの状態が図6(A)および図6(B)に簡略的に示されている。   The states of the signal holding circuit SSC and the sense amplifier SA holding the first to third voltages are simply shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B).

図6(A)は、読出し対象データがデータ“0”である場合の信号保持回路SSCおよびセンスアンプSAの概略図である。図6(B)は、読出し対象データがデータ“1”である場合の信号保持回路SSCおよびセンスアンプSAの概略図である。V0は、選択メモリセルMCにデータ“0”が格納されているときにゲートノードNG1〜NG4に保持される電圧である。V1は、選択メモリセルMCにデータ“1”が格納されているときにゲートノードNG1〜NG4に保持される電圧である。   FIG. 6A is a schematic diagram of the signal holding circuit SSC and the sense amplifier SA when the read target data is data “0”. FIG. 6B is a schematic diagram of the signal holding circuit SSC and the sense amplifier SA when the data to be read is data “1”. V0 is a voltage held in the gate nodes NG1 to NG4 when data “0” is stored in the selected memory cell MC. V1 is a voltage held in the gate nodes NG1 to NG4 when data “1” is stored in the selected memory cell MC.

図6(A)に示すように、読出し対象データが“0”である場合、第1および第2のトランジスタT1、T2のゲート電極(NG1、NG2)には、第1の電圧としてV0が印加される。一方、図6(B)に示すように、読出し対象データが“1”である場合、第1および第2のトランジスタT1、T2のゲート電極(NG1、NG2)には、第1の電圧としてV1が印加される。尚、第3のトランジスタT3のゲート電極(NG3)には、図6(A)および図6(B)のいずれの場合にも、第2の電圧としてV0が印加される。第4のトランジスタT4のゲート電極(NG4)には、図6(A)および図6(B)のいずれの場合にも、第3の電圧としてV1が印加される。   As shown in FIG. 6A, when the read target data is “0”, V0 is applied as the first voltage to the gate electrodes (NG1, NG2) of the first and second transistors T1, T2. Is done. On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the read target data is “1”, the gate electrodes (NG1, NG2) of the first and second transistors T1, T2 have V1 as the first voltage. Is applied. Note that V0 is applied to the gate electrode (NG3) of the third transistor T3 as the second voltage in both cases of FIG. 6A and FIG. 6B. V1 is applied to the gate electrode (NG4) of the fourth transistor T4 as the third voltage in both cases of FIG. 6A and FIG. 6B.

このように、第3および第4のトランジスタT3、T4の導通状態は、読出し対象データの論理によって変化しないが、第1および第2のトランジスタの導通状態は、読出し対象データの論理に依存して変化する。   As described above, the conduction state of the third and fourth transistors T3 and T4 does not change depending on the logic of the read target data, but the conduction state of the first and second transistors depends on the logic of the read target data. Change.

従って、図4のt5の時点において、第1および第2のトランジスタT1、T2は、読出し対象データに対応する第1の電圧に応じた導通状態(または非導通状態)になっている。よって、第1および第2のトランジスタT1、T2は、第1の電圧に基づいて読出し信号をセンスアンプSAに与えることができる。   Therefore, at time t5 in FIG. 4, the first and second transistors T1 and T2 are in a conductive state (or non-conductive state) according to the first voltage corresponding to the data to be read. Therefore, the first and second transistors T1 and T2 can supply a read signal to the sense amplifier SA based on the first voltage.

第3のトランジスタT3は、データ“0”に対応する第2の電圧に応じた導通状態(または非導通状態)になっている。第4のトランジスタT4は、データ“1”に対応する第3の電圧に応じた導通状態(または非導通状態)になっている。   The third transistor T3 is in a conductive state (or non-conductive state) corresponding to the second voltage corresponding to the data “0”. The fourth transistor T4 is in a conductive state (or non-conductive state) corresponding to the third voltage corresponding to the data “1”.

ここで、第3および第4のトランジスタT3、T4は、並列に接続されているので、データ“0”とデータ“1”との中間データに対応する中間の導通状態となる。よって、第3および第4のトランジスタT3、T4は、第2の電圧と第3の電圧との間の中間の参照信号をセンスアンプSAに与えることができる。参照信号は、第2の電圧および第3の電圧の中間電圧によって第3および第4のトランジスタT3、T4の中間の導体状態に応じて得られる中間信号である。   Here, since the third and fourth transistors T3 and T4 are connected in parallel, they are in an intermediate conductive state corresponding to intermediate data between the data “0” and the data “1”. Therefore, the third and fourth transistors T3 and T4 can supply an intermediate reference signal between the second voltage and the third voltage to the sense amplifier SA. The reference signal is an intermediate signal obtained according to an intermediate conductor state of the third and fourth transistors T3 and T4 by an intermediate voltage between the second voltage and the third voltage.

図4に示すt5〜t6において、センスアンプSAが読出し対象データの論理を検出する(S90)。より詳細には、センスイネーブル信号SEが論理ハイに活性化されることによって、トランジスタTsen12およびTsen34が導通状態になる。尚、センスイネーブル信号SEが論理ロウに不活性状態であるときには、トランジスタTsep12、Tsep34が導通状態となっている。従って、センスノードSN、bSNは、電源電圧VDDにプリチャージされている。このとき、トランジスタTLCn1、TLCn2は、導通状態となっており、トランジスタTLCp1、TLCp2は、非導通状態となっている。 At t5 to t6 shown in FIG. 4, the sense amplifier SA detects the logic of the read target data (S90). More particularly, by sensor Sui enable signal SE is activated to a logic high, transistors Tsen12 and Tsen34 becomes conductive. Incidentally, when the sensor Sui enable signal SE is inactive state to a logic low, transistor Tsep12, Tsep34 is in a conductive state. Therefore, the sense nodes SN and bSN are precharged to the power supply voltage VDD. At this time, the transistors TLCn1 and TLCn2 are in a conductive state, and the transistors TLCp1 and TLCp2 are in a nonconductive state.

センスイネーブル信号SEが論理ハイに活性化されることによって、トランジスタTsen12およびTsen34が導通状態になるとともに、トランジスタTsep12およびTsep34が非導通状態になる。これにより、電源電圧VDDがセンスノードSN、bSNから切断される。そして、センスノードbSNの電圧は、第1および第2のトランジスタT1、T2の導通状態に応じた電圧になる。センスノードSNの電圧は、第3および第4のトランジスタT3、T4の導通状態に応じた電圧になる。 By Sen Sui enable signal SE is activated to a logic high, the transistor Tsen12 and Tsen34 becomes conductive, the transistors Tsep12 and Tsep34 is nonconducting. As a result, the power supply voltage VDD is disconnected from the sense nodes SN and bSN. The voltage at the sense node bSN is a voltage corresponding to the conduction state of the first and second transistors T1 and T2. The voltage of the sense node SN is a voltage corresponding to the conduction state of the third and fourth transistors T3 and T4.

即ち、センスノードbSNには、読出し対象データ(第1の電圧)に基づいた読出し信号が伝達される。センスノードSNには、中間データ(第2の電圧と第3の電圧との中間電圧)に基づいた参照信号が伝達される。   That is, a read signal based on read target data (first voltage) is transmitted to the sense node bSN. A reference signal based on intermediate data (an intermediate voltage between the second voltage and the third voltage) is transmitted to sense node SN.

ラッチ回路LCは、センスノードbSNの電圧とセンスノードSNの電圧とを比較し、その電圧差を増幅してラッチする。これにより、センスアンプSAは、読出し対象データを検出することができる。   The latch circuit LC compares the voltage of the sense node bSN and the voltage of the sense node SN, amplifies the voltage difference, and latches. Thereby, the sense amplifier SA can detect read target data.

その後、t6〜t7において、必要に応じて、データのリストアが実行される(S100)。第2のサンプルデータの論理が読出し対象データの論理と異なる場合、ライトバイアス回路WBCは、読出し対象データと同一論理のデータを選択メモリセルMCに書き戻す必要がある。 Thereafter, from t6 to t7, data restoration is executed as necessary (S100). When the logic of the second sample data is different from the logic of the read target data, the write bias circuit WBC needs to write back data having the same logic as the read target data to the selected memory cell MC.

例えば、t6の時点では、選択メモリセルMCは、第2のサンプルデータとしてのデータ“1”を格納している。従って、もし、読出し対象データがデータ“0”であった場合、t6〜t7において、データ“0”を選択メモリセルMCに書き戻す必要がある。データ“0”の書込み動作は、t1〜t2におけるデータ“0”の書込み動作と同様である。一方、もし、読出し対象データがデータ“1”であった場合、データリストア動作は不要である。   For example, at time t6, the selected memory cell MC stores data “1” as the second sample data. Therefore, if the read target data is data “0”, it is necessary to write back data “0” to the selected memory cell MC from t6 to t7. The write operation of data “0” is the same as the write operation of data “0” from t1 to t2. On the other hand, if the data to be read is data “1”, the data restore operation is unnecessary.

このように、本実施形態では、信号保持回路SSCが、読出し対象データに基づいた第1の電圧、データ“0”に基づいた第2の電圧、および、データ“1”に基づいた第3の電圧を保持する。信号保持回路SSCは、第1の電圧に基づいて読出し信号をセンスアンプSAに与え、第2の電圧および第3の電圧に基づいて参照信号をセンスアンプSAに与える。センスアンプSAは、読出し信号と参照信号とを比較することによって、選択メモリセルMCに格納された読出し対象データの論理を検出する。   Thus, in the present embodiment, the signal holding circuit SSC includes the first voltage based on the read target data, the second voltage based on the data “0”, and the third voltage based on the data “1”. Hold the voltage. The signal holding circuit SSC gives a read signal to the sense amplifier SA based on the first voltage, and gives a reference signal to the sense amplifier SA based on the second voltage and the third voltage. The sense amplifier SA detects the logic of the read target data stored in the selected memory cell MC by comparing the read signal with the reference signal.

尚、第1および第2のサンプルデータの論理は逆であってもよい。即ち、第1のサンプルデータとしてデータ“1”を用い、第2のサンプルデータとしてデータ“0”を用いてもよい。この場合、t6〜t7においてリストアされるデータの論理は逆になる。   Note that the logic of the first and second sample data may be reversed. That is, data “1” may be used as the first sample data, and data “0” may be used as the second sample data. In this case, the logic of data restored at t6 to t7 is reversed.

本実施形態によるMRAMは、選択メモリセルMCに実際に格納されたデータ“0”と選択メモリセルMCに実際に格納されたデータ“1”とを用いて参照信号を生成している。その参照信号は、同一の選択メモリセルMCに格納されていた読出し対象データを検出するために用いられる。即ち、本実施形態は、自己参照方式によって読出し対象データを検出している。従って、MTJ素子の特性、セルトランジスタの特性、信号保持回路SSCおよびセンスアンプSAを構成するトランジスタの特性がプロセスばらつきによって変動しても、参照信号をデータ“1”とデータ“0”との中央近傍に設定することができる。これにより、本実施形態によるMRAMは、MTJ素子から得られる微細な信号を高精度に検出することができる。   The MRAM according to the present embodiment generates a reference signal using data “0” actually stored in the selected memory cell MC and data “1” actually stored in the selected memory cell MC. The reference signal is used to detect read target data stored in the same selected memory cell MC. That is, in the present embodiment, data to be read is detected by a self-referencing method. Therefore, even if the characteristics of the MTJ element, the characteristics of the cell transistor, and the characteristics of the transistors constituting the signal holding circuit SSC and the sense amplifier SA vary due to process variations, the reference signal is centered between data “1” and data “0”. It can be set in the vicinity. Thereby, the MRAM according to the present embodiment can detect a fine signal obtained from the MTJ element with high accuracy.

図7(A)から図7(C)は、本実施形態によるMRAMおよび比較例によるMRAMの各参照信号を説明するグラフである。図7(A)は、本実施形態によるMRAMの参照信号を示す。図7(B)は、比較例として、リファレンスセルを用いて生成された参照信号を示す。図7(C)は、比較例としての自己参照方式を用いて生成された参照信号を示す。   FIG. 7A to FIG. 7C are graphs illustrating reference signals of the MRAM according to the present embodiment and the MRAM according to the comparative example. FIG. 7A shows a reference signal of the MRAM according to the present embodiment. FIG. 7B shows a reference signal generated using a reference cell as a comparative example. FIG. 7C shows a reference signal generated using a self-referencing method as a comparative example.

図7(B)では、実際に読出し対象データを格納している選択メモリセルとは異なるリファレンスセルを用いて参照信号を生成する。従って、参照信号は、データ“0”およびデータ“1”の各信号分布の中間に位置することが好ましい。しかし、データ“0”およびデータ“1”の信号分布は、それぞれ正規分布に従って或る程度の広がりを有する。従って、参照信号Vrefとデータ“0”とのマージンおよび参照信号Vrefとデータ“1”とのマージンは小さい。   In FIG. 7B, the reference signal is generated using a reference cell different from the selected memory cell that actually stores the read target data. Therefore, the reference signal is preferably located in the middle of each signal distribution of data “0” and data “1”. However, the signal distribution of data “0” and data “1” has a certain extent according to the normal distribution. Therefore, the margin between the reference signal Vref and the data “0” and the margin between the reference signal Vref and the data “1” are small.

図7(C)に示す自己参照方式では、まず、選択メモリセルMCから読み出した対象データに基づく電圧を保持する。その後、所定論理のサンプルデータを選択メモリセルに書き込み、再度、選択メモリセルからそのサンプルデータを読み出す。次に、参照信号Vrefを生成するために、2回目に読み出されたサンプルデータにオフセット電圧Vosを加算または減算する。これにより得られた参照信号と1回目に読み出された対象データとを比較して、対象データを検出する。   In the self-referencing method shown in FIG. 7C, first, a voltage based on target data read from the selected memory cell MC is held. Thereafter, sample data of a predetermined logic is written into the selected memory cell, and the sample data is read from the selected memory cell again. Next, in order to generate the reference signal Vref, the offset voltage Vos is added to or subtracted from the sample data read out for the second time. The reference signal thus obtained is compared with the target data read for the first time to detect the target data.

しかし、オフセット電圧Vosは、実際のMTJ素子やセルトランジスタ等の特性とは無関係に設定されるため、やはりプロセスばらつきに対して弱い。   However, since the offset voltage Vos is set regardless of the characteristics of the actual MTJ element, cell transistor, etc., it is still vulnerable to process variations.

これに対し、本実施形態によるMRAMでは、参照信号を得るために用いられる情報は、全て実際の選択メモリセルMCから得られた情報である。従って、図7(A)に示すように、もし、選択メモリセルMCまたはセルトランジスタ等の特性がプロセスによってばらついたとしても、それに伴って参照信号も移動する。   On the other hand, in the MRAM according to the present embodiment, all the information used for obtaining the reference signal is information obtained from the actual selected memory cell MC. Accordingly, as shown in FIG. 7A, even if the characteristics of the selected memory cell MC or the cell transistor vary depending on the process, the reference signal moves accordingly.

例えば、データ“0”を格納した選択メモリセルMC1から読み出した信号をMC1_0とし、データ“1”を格納した選択メモリセルMC1から読み出した信号をMC1_1とする。この場合、参照信号は、MC1_0とMC1_1との中央近傍のVref1となる。また、データ“0”を格納した選択メモリセルMC2から読み出した信号をMC2_0とし、データ“1”を格納した選択メモリセルMC2から読み出した信号をMC2_1とする。この場合、参照信号は、MC2_0とMC2_1との中央近傍のVref2となる。このように、本実施形態によるMRAMでは、読出し対象データだけでなく、参照信号Vrefも、実際の選択メモリセルおよびその周辺素子の特性のばらつきに伴って変化する。従って、本実施形態によるMRAMは、プロセスばらつきの影響を排除した参照信号を得ることができる。その結果、本実施形態によるMRAMは、メモリセルMC等の特性のばらつきがあっても、高精度なデータの読出しが可能となる。   For example, a signal read from the selected memory cell MC1 storing data “0” is MC1_0, and a signal read from the selected memory cell MC1 storing data “1” is MC1_1. In this case, the reference signal is Vref1 near the center between MC1_0 and MC1_1. A signal read from the selected memory cell MC2 storing data “0” is MC2_0, and a signal read from the selected memory cell MC2 storing data “1” is MC2_1. In this case, the reference signal is Vref2 near the center of MC2_0 and MC2_1. As described above, in the MRAM according to the present embodiment, not only the read target data but also the reference signal Vref changes with variations in the characteristics of the actual selected memory cell and its peripheral elements. Therefore, the MRAM according to the present embodiment can obtain a reference signal that eliminates the influence of process variations. As a result, the MRAM according to the present embodiment can read data with high accuracy even if there are variations in characteristics of the memory cells MC and the like.

尚、本実施形態によるMRAMでは、選択メモリセルMCの対象データを検出するために、3回の読出し動作および2回の書込み動作が必要になる。しかし、MRAMの動作速度は、例えば、NAND型フラッシュメモリのそれに比較して桁違いに速い。また、MRAMは、NAND型フラッシュメモリと異なり、書込み可能回数に制限が無い。従って、本実施形態による読出し方式は、MRAM等の抵抗変化型メモリに適していると言える。   In the MRAM according to the present embodiment, three read operations and two write operations are required to detect the target data of the selected memory cell MC. However, the operation speed of the MRAM is orders of magnitude faster than that of, for example, a NAND flash memory. Further, unlike the NAND flash memory, the MRAM has no limit on the number of writable times. Therefore, it can be said that the reading method according to the present embodiment is suitable for a resistance change type memory such as an MRAM.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

MC・・・メモリセル、MCA・・・メモリセルアレイ、WBC・・・ライトバイアス回路、RBC・・・リードバイアス回路、SSC・・・信号保持回路、SA・・・センスアンプ、LC・・・ラッチ回路、Tp1〜Tp4、Tbp1〜Tbp4・・・トランジスタ、TG1〜TG4・・・トランスファゲート、T1・・・第1のトランジスタ、T2・・・第2のトランジスタ、T3・・・第3のトランジスタ、T4・・・第4のトランジスタ、Nx・・・ノード、SN、bSN・・・センスノード MC ... memory cell, MCA ... memory cell array, WBC ... write bias circuit, RBC ... read bias circuit, SSC ... signal holding circuit, SA ... sense amplifier, LC ... latch Circuit, Tp1 to Tp4, Tbp1 to Tbp4 ... transistor, TG1 to TG4 ... Transfer gate, T1 ... First transistor, T2 ... Second transistor, T3 ... Third transistor, T4 ... fourth transistor, Nx ... node, SN, bSN ... sense node

Claims (6)

抵抗変化型の複数の記憶素子と、前記記憶素子に格納されたデータに応じた複数の電圧を保持する信号保持部と、前記信号保持部に保持された電圧に基づいて前記記憶素子に格納されたデータを検出するセンスアンプとを備えた半導体記憶装置の駆動方法であって、 前記複数の記憶素子のうち選択された第1の記憶素子に格納された対象データの読出し動作において、
前記対象データに応じた第1の電圧を前記信号保持部において保持し、
前記第1の記憶素子に第1論理の第1のサンプルデータを書き込み、
前記第1のサンプルデータに応じた第2の電圧を前記信号保持部において保持し、
前記第1の記憶素子に前記第1論理とは逆論理である第2論理の第2のサンプルデータを書き込み、
前記第2のサンプルデータに応じた第3の電圧を前記信号保持部において保持し、
前記センスアンプにおいて、前記第1の電圧に基づいた読出し信号と前記第2および前記第3の電圧に基づいて生成された参照信号とを比較することによって、前記第1の記憶素子に格納された対象データの論理を検出することを具備し
前記信号保持部は、互いに並列に接続され、前記第1の電圧をゲート電極で受ける第1および第2のトランジスタと、互いに並列に接続され、前記第2の電圧および前記第3の電圧をそれぞれゲート電極で受ける第3および第4のトランジスタとを備え、
前記第1の電圧は、前記第1および前記第2のトランジスタのゲート電極に保持され、
前記第2の電圧は、前記第3のトランジスタのゲート電極に保持され、
前記第3の電圧は、前記第4のトランジスタのゲート電極に保持されることを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
A plurality of resistance change type storage elements, a signal holding unit that holds a plurality of voltages according to data stored in the storage element, and a voltage stored in the memory element based on the voltage held in the signal holding unit A method of driving a semiconductor memory device including a sense amplifier that detects data, wherein a target data stored in a first memory element selected from the plurality of memory elements is read out.
A first voltage corresponding to the target data is held in the signal holding unit,
Writing first sample data of first logic to the first memory element;
Holding a second voltage corresponding to the first sample data in the signal holding unit;
Writing second sample data of second logic, which is opposite to the first logic, to the first memory element;
Holding a third voltage corresponding to the second sample data in the signal holding unit;
In the sense amplifier, the read signal based on the first voltage is compared with the reference signal generated based on the second and third voltages, and stored in the first storage element. Detecting the logic of the target data ,
The signal holding unit is connected in parallel to each other, and the first and second transistors receiving the first voltage at the gate electrode are connected in parallel to each other, and the second voltage and the third voltage are respectively received. A third and a fourth transistor received by the gate electrode;
The first voltage is held at gate electrodes of the first and second transistors,
The second voltage is held at the gate electrode of the third transistor;
The method of driving a semiconductor memory device, wherein the third voltage is held in a gate electrode of the fourth transistor .
前記第1および前記第2のトランジスタは、前記第1の電圧に基づいて前記読出し信号を前記センスアンプに与え、
前記第3および前記第4のトランジスタは、前記第2の電圧および前記第3の電圧に基づいて前記参照信号を前記センスアンプに与えることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の駆動方法。
The first and second transistors provide the read signal to the sense amplifier based on the first voltage,
2. The drive of a semiconductor memory device according to claim 1 , wherein the third and fourth transistors supply the reference signal to the sense amplifier based on the second voltage and the third voltage. Method.
前記参照信号は、前記第2の電圧および前記第3の電圧によって前記第3および前記第4のトランジスタの駆動電流の合算から得られた信号であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置の駆動方法。 It said reference signal, according to claim 1 or claim 2, characterized in that the said second voltage and the third voltage is a signal obtained from the sum of the driving currents of the third and the fourth transistor A method for driving the semiconductor memory device according to the above. 前記第2のサンプルデータの論理が前記対象データの論理と異なる場合、前記対象データと同一論理のデータを前記第1の記憶素子に書き込むことをさらに備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体記憶装置の駆動方法。 If the logic of the second sample data is different from the logic of the object data, according claim 1, further comprising a writing of the object data of the same logic data to the first storage element 4. A method for driving a semiconductor memory device according to any one of items 3 to 4 . 抵抗変化型の複数の記憶素子と、
前記記憶素子に格納されたデータに応じた複数の電圧を保持する信号保持部と、
前記信号保持部に保持された電圧に基づいて前記記憶素子に格納されたデータを検出するセンスアンプとを備え、
前記信号保持部は、前記複数の記憶素子のうち選択された第1の記憶素子に格納された対象データに応じた第1の電圧を保持し、前記第1の記憶素子に書き込まれた第1論理の第1のサンプルデータに応じた第2の電圧を保持し、前記第1の記憶素子に書き込まれた前記第1論理とは逆論理である第2論理の第2のサンプルデータに応じた第3の電圧を前記信号保持部において保持し、
前記センスアンプは、前記第1の電圧に基づいた読出し信号と前記第2および前記第3の電圧に基づいて生成された参照信号とを比較することによって、前記第1の記憶素子に格納された対象データの論理を検出し、
前記信号保持部は、
互いに並列に接続され、前記第1の電圧をゲート電極で受ける第1および第2のトランジスタと、
互いに並列に接続され、前記第2の電圧および前記第3の電圧をそれぞれゲート電極で受ける第3および第4のトランジスタとを備え、
前記第1および前記第2のトランジスタが前記センスアンプへ前記読出し信号を与え、
前記第3および前記第4のトランジスタが前記センスアンプへ前記参照信号を与えることを特徴とする半導体記憶装置。
A plurality of resistance change memory elements;
A signal holding unit that holds a plurality of voltages according to data stored in the storage element;
A sense amplifier that detects data stored in the storage element based on a voltage held in the signal holding unit;
The signal holding unit holds a first voltage corresponding to target data stored in a first storage element selected from the plurality of storage elements, and the first voltage written in the first storage element The second voltage corresponding to the first sample data of logic is held, and the second sample data of the second logic that is opposite to the first logic written in the first storage element Holding a third voltage in the signal holding unit;
The sense amplifier stores the read signal based on the first voltage and the reference signal generated based on the second and third voltages, thereby storing the read signal based on the first voltage. Detect the logic of the target data ,
The signal holding unit is
First and second transistors connected in parallel to each other and receiving the first voltage at a gate electrode;
A third transistor and a fourth transistor connected in parallel with each other and receiving the second voltage and the third voltage at their gate electrodes, respectively;
The first and second transistors provide the read signal to the sense amplifier;
The semiconductor memory device, wherein the third and fourth transistors supply the reference signal to the sense amplifier .
前記信号保持部は、
前記第1の電圧を前記第1のトランジスタのゲート電極へ転送する第1のトランスファゲートと、
前記第1の電圧を前記第2のトランジスタのゲート電極へ転送する第2のトランスファゲートと、
前記第2の電圧を前記第3のトランジスタのゲート電極へ転送する第3のトランスファゲートと、
前記第3の電圧を前記第4のトランジスタのゲート電極へ転送する第4のトランスファゲートとを備えたことを特徴とする請求項5に記載の半導体記憶装置。
The signal holding unit is
A first transfer gate for transferring the first voltage to the gate electrode of the first transistor;
A second transfer gate for transferring the first voltage to the gate electrode of the second transistor;
A third transfer gate for transferring the second voltage to the gate electrode of the third transistor;
6. The semiconductor memory device according to claim 5 , further comprising a fourth transfer gate that transfers the third voltage to a gate electrode of the fourth transistor.
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